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  • 因为本人之前一直写的是电子笔记,对自己学会的东西作一个总结,所以基本都是文字,本来想全发成博客的形式,发现全发成博客比较花费时间,而且一直发博客质量不是很好,而且通过发博客学到的东西也会变少,所以准备...

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    因为本人之前一直写的是电子笔记,对自己学会的东西作一个总结,所以基本都是文字,本来想全发成博客的形式,发现全发成博客比较花费时间,而且一直发博客质量不是很好,而且通过发博客学到的东西也会变少,所以准备先把笔记发出来,后续再将它们改成博客的形式,争取2天至少改一篇博客,觉得我总结的还行的可以先关注我,后续会发成博客形式,内容也会更加完善

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    以太网:
    它是数据链路层的一个用来组织数据传输的方法,它和局域网不是一个概念,局域网说的是在一个区域内我所有计算机都可以直接互联,而不需要进行路由选择,而以太网则是一种传输数据的方法,就像是要在双绞线上传输数据,在物理层用的肯定是电信号,但是这个电信号是根据数据链路层的数据帧转换的,而这个数据帧的一种表示形式就是以太网
    一般以太网由五部分组成,最前端是目的地址,也是目标主机的MAC地址(6字节);然后是源地址,也就是我们自己主机的MAC地址(6字节);再往后就是类型标识,这个类型的意思是我们用以太网发送数据,不一定发送的是一般使用的数据,可以会有ARP这样的试探性数据(2字节);然后就是我们要发送的数据了,不过这个数据在前端会有一个前导码,表示一个以太网的开始,同时也是接收端网卡与这个数据帧保持同步的标志,这个前导码最后二位为“11”称为SFD域(这个前导码占8字节),表示这个值往后就是原数据了;最后就是FCS了,它是用来做帧检验的,因为以太网在发送数据时可能会造成数据损坏或丢失,所以最后只要检测FCS就可以知道这个数据帧有没有发送成功;如果有VLAN的话,它会加在源地址的后面,用来判断这个数据帧发送给哪个网段(4字节)

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  • 以太网网络终端设备是网络的重要组成部分,是网络与网外互访信息的协议界面和工作平台。嵌入式以太网网络终端设备采用嵌入式处理器技术,使用嵌入式操作系统,内嵌网络接口和网络通信协,可直接接入以太网。由于...
  • 以太网( Ethernet )是现实世界中最普遍的一种计算机网络,是一种计算机局域网技术,同时也是一种协议。以太网协议定义了一系列软件和硬件标准,从而将不同的计算机设备连接在一起。以太网设备组网的基本元素有...

    1.基本概念

    以太网( Ethernet )是现实世界中最普遍的一种计算机网络,是一种计算机局域网技术,同时也是一种协议。以太网协议定义了一系列软件和硬件标准,从而将不同的计算机设备连接在一起。以太网设备组网的基本元素有交换机、路由器、集线器、光纤和普通网线以及以太网协议和通讯规则。以太网中网络数据连接的端口就是以太网接口。

    2.以太网帧

    在以太网链路上的数据包称作以太帧。以太帧起始部分由前导码和帧开始符组成。后面紧跟着一个以太网报头,以MAC地址说明目的地址和源地址。帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包(例如IP协议)。以太帧由一个32位冗余校验码结尾,它用于检验数据传输是否出现损坏。以太网帧格式有两种标准,一个是由IEEE802.3定义的,称为802.3格式;另一个是由DEC、Intel、Xerox三家公司联合定义的,称为Ethernet II格式,也称DIX格式。Ethernet II格式的帧与IEEE802.3格式虽然存在一点差别,但是他们都应用于以太网。目前的网络设备都可以兼容这两种格式的帧,但Ethernet II使用得更加广泛。通常承载了某些特殊协议信息的以太网帧才使用IEEE802.3,绝大部分的以太网帧使用的都是Ethernet II格式。
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    2.1Ethernet II格式

    如上图所示,Ethernet II格式的以太网帧有五个部分组成,D.MAC、S.MAC、Type、Data和FCS。
    (1)D.MAC是目的MAC地址,表示该帧的接收者。目的MAC地址可以是单播MAC、组播MAC或者广播MAC。
    (2)S.MAC是源MAC地址,表示该帧的发送者。源MAC地址只能是一个单播MAC地址。
    (3)Type即类型,表示载荷数据的类型,如果该字段的值是0x0800表示载荷数据是IPv4数据,如果该字段值是0x0806表示载荷数据是ARP数据,如果该字段值是0x86dd表示载荷数据是IPv6数据等等。
    (4)Data是载荷数据,最短46字节,最长为1500字节,是该帧的有效载荷。
    (5)FCS是帧检验序列,是由循环冗余算法(CRC)算法生成的。数据在传输过程中可能会因为外界的电磁干扰从而使数据产生差错,所以需要采用各种检验差错的措施,而最广泛使用的就是循环冗余检验(CRC)。当网卡接收到一个以太帧,首先要校验帧尾的FCS是否正确。如果正确,缓存到接收队列,通知上层模块前来取走;如果不正确,丢弃处理,错误计数+1。

    2.2IEEE802.3格式

    IEEE802.3格式的以太网帧中,目的MAC地址、源MAC地址、类型、载荷和FCS的功能和作用与Ethernet II格式是一样的。不一样的就是Length、LLC和SNAP了。
    (1)Length长度,指后续数据的字节长度,从LLC头开始但不包括FSC检验序列的长度。
    (2)LLC3个字节中包括了D.SAP、S.SAP和Control字段。

    	DSAP 目的服务访问字段,指明帧的目的上层协议类型,如IP帧值设为0x06
    	ASAP 源服务访问字段,指明帧的源上层协议类型
    	Control控制,类型1 表明是无连接的、不可靠的LLC数据,控制字段用0x03指明;类型2 表明是面向连接可靠的LLC会话
    

    (3)SNAP中含有Org Code和Type两个字段。IEEE 802.3扩展产生SNAP来兼容以太网网头部协议,在IEEE 802.2 LLC 头部后插入了SNAP头部。为了标识SNAP帧,DSAP和SSAP在LLC头都被设置成SNAP定义的值0xAA,所有SNAP的封装没有使用可靠的LLC服务,所以LLC的控制设置成0x03。

    Org Code机构代码,指明私有协议的机构代码。对IP和 ARP,该字段被将设置为0x000000,如思科的代码是0x00000c
    Type和Ethernet II上的类型意义相同,IP 0x0800 ,ARP 0x0806
    

    3.MAC地址

    MAC地址是在IEEE 802标准中定义并规范的,凡是符合IEEE 802标准的网卡都必须拥有一个MAC地址。每一个网卡都有一个唯一用来标识自己的号码,就如同人的身份证号码一样,这个标记网卡的号码就是MAC地址,长度48bit。
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    2.1分配

    网卡制造商在生产网卡之前,需要向IEEE申请注册获取前24bit的组织唯一标识符,这24bit称为OUI(Organizationally Unique Identifie),后24bit由厂商自己分配。分配好之后将MAC地址烧写进网卡中,并且不能被更改。

    2.2分类

    MAC地址分为三种,单播MAC地址、组播MAC地址和广播MAC地址。

    单播MAC地址是指第一个字节的最低位是0的MAC地址,标识了一块特定的网卡
    组播MAC地址是指第一个字节的最低位是1的MAC地址,标识了一组网卡
    广播MAC地址是指每个比特都是1的MAC地址,是组播地址的一个特例,标识了所有网卡
    

    组播和广播MAC地址前三个字节不是OUI,只有单播的前三个字节才是OUI,并且第一个字节的最低位一定是0。
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    4.MTU

    MTU(Maximum Transmission Unit)最大传输单元。用来通知对方所能接受数据服务单元的最大尺寸,说明发送方能够接受的有效载荷大小。一般网络中设备的MTU值是1500,这是由Ethernet II格式的帧载荷数据大小决定的,其值是46-1500。

    如果网络中计算机的设置MTU值为2000,而路由器的MTU值为1500。计算机发送3000字节的数据包,会根据计算机的MTU值分成2000和500的帧,路由器接收到2000的帧时又会分成1500、500和500的帧,如果计算机MTU是1500,经过路由器就只有两个1500的帧了,所以计算机增大MTU值时,同样的数据给路由器增加了压力。

    实际情况计算机的MTU值会比1500小一点,一般是1472左右。比如使用PPOE拨号的路由器,PPP over Ethernet协议会占用8字节的空间,一帧的大小就变成1492字节了。UDP数据包需要减去IP包头20字节和UDP包头8字节,就是1472字节了。

    需要注意的是如果IP包DF标志位为1,也就是不允许分包,那么路由器直接就把这个包丢弃了,所以MTU值太大可能导致数据无法发送了。

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  • 数据链路层主要解决由若干主机组成的本地网络的通讯问题,主机寻址 和 信道复用 思想在其中发挥着关键作用。 数据链路层有一个非常重要的协议—— 以太网协议 。接下来,我们一起来揭开它的神秘面纱! ...

    上一小节,我们通过一个虚构的协议,初步认识了数据链路层的工作原理。数据链路层主要解决由若干主机组成的本地网络的通讯问题,主机寻址信道复用 思想在其中发挥着关键作用。

    数据链路层有一个非常重要的协议—— 以太网协议 。接下来,我们一起来揭开它的神秘面纱!

    使用以太网协议进行通信的主机间,必须通过某种介质直接相连。通信介质可以是真实的物理设备,如网线、网卡等;也可以是通过虚拟化技术实现的虚拟设备。

    以太网帧

    在以太网中,数据通信的基本单位是 以太网帧 ( frame ),由 头部 ( header )、数据 ( data )以及 校验和 ( checksum )三部分构成:

    请注意,这图中的单位为字节,而不是比特了。

    头部

    以太网帧头部包含 3 个字段,依次是:

    • 目的地址 ,长度是 6 字节,用于标记数据由哪台机器接收;
    • 源地址 ,长度也是 6 字节,用于标记数据由哪台机器发送;
    • 类型 ,长度是 2 字节,用于标记数据该如何处理, 0x0800 表示该帧数据是一个 IP 包(后续章节介绍)。

    除了字段长度有所拓展之外,以太网帧跟我们虚构出来的协议如出一辙。对了,我们注意到一点小差异——在以太网帧中, 目的地址 放在最前面。 这其中有什么特殊考虑吗?

    确实是有的。接收方收到一个以太网帧后,最先处理 目的地址 字段。如果发现该帧不是发给自己的,后面的字段以及数据就不需要处理了。基础网络协议影响方方面面,设计时处理效率也是一个非常重要的考量。

    数据

    数据 可以是任何需要发送的信息,长度可变, 461500 字节均可。

    上层协议报文,例如 IP 包,可以作为数据封装在以太网帧中,在数据链路层中传输。因此,数据还有另一个更形象的称谓,即 负荷 ( payload )。请自行脑补数据 搭载 在以太网帧这个交通工具上旅行的画面。

    校验和

    由于物理信号可能受到环境的干扰,网络设备传输的比特流可能会出错。一个以太网帧从一台主机传输到另一台主机的过程中,也可能因各种因素而出错。那么当主机收到以太网帧时,如何确定它是完好无损的呢?

    答案是: 校验和 。我们可以用诸如 循环冗余校验 ( CRC )算法,为以太网帧计算校验和。如果以太网帧在传输的过程出错,校验和将发生改变。

    注意到,以太网帧最后面有一个 4 字节字段,用于保存校验和。发送者负责为每个以太网帧计算校验和,并将计算结果填写在校验和字段中;接收者接到以太网帧后,重新计算校验和并与校验和字段进行对比;如果两个校验和不一致,说明该帧在传输时出错了。

    【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】,敬请关注:

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  •  近些年来,以太网通信速率的提高及交换式以太网技术的出现,使得以太网的通信性能大为改善,原来阻碍以太网进入工业控制领域的不确定性等问题基本得到解决,以太网开始从不同的途径进入到工业自动化和过程检测等...
  • 以太网详解(一)-MAC/PHY/MII/RMII/GMII/RGMII基本介绍

    万次阅读 多人点赞 2019-04-07 21:16:25
    网络设备中肯定离开不MAC和PHY,本篇文章将详细介绍下以太网中一些常见术语与接口。 MAC和PHY结构 从硬件角度来看以太网是由CPU,MAC,PHY三部分组成的,如下图示意: 上图中DMA集成在CPU,CPU,MAC,PHY并不是...

    网络设备中肯定离开不MAC和PHY,本篇文章将详细介绍下以太网中一些常见术语与接口。

    MAC和PHY结构

    从硬件角度来看以太网是由CPU,MAC,PHY三部分组成的,如下图示意:

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    上图中DMA集成在CPU,CPU,MAC,PHY并不是集成在同一个芯片内,由于PHY包含大量模拟器件,而MAC是典型的数字电路,考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因,将MAC集成进CPU而将PHY留在片外,这种结构是最常见的。 下图是网络接口内部结构图,虚框表示CPU,MAC集成在CPU中,PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC连接:

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    以上是以太网结构大框架,下面分别介绍各个部分。


    MAC

    MAC(Media Access Control) 即媒体访问控制层协议。MAC由硬件控制器及MAC通信协议构成。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分,主要负责控制与连接物理层的物理介质。MAC硬件框图如下图所示:

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    在发送数据的时候,MAC协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层;在接收数据的时候,MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误,如果没有错误,则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。该层协议是以太网MAC由IEEE-802. 3以太网标准定义。一般以太网MAC芯片的一端连接PCI总线,另一端连接PHY芯片上通过MII接口连接。


    PHY

    PHY(Physical Layer)是IEEE802.3中定义的一个标准模块,STA(Station Management Entity,管理实体,一般为MAC或CPU)通过MIIM(MII Manage Interface)对PHY的行为、状态进行管理和控制,而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。PHY的基本结构如下图:

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    PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据(对PHY来说,没有帧的概念,对它来说,都是数据)然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去,收数据时的流程反之。
    PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能,它可以检测到网络上是否有数据在传送,如果有数据在传送中就等待,一旦检测到网络空闲,再等待一个随机时间后将送数据出去.如果两个碰巧同时送出了数据,那样必将造成冲突,这时候冲突检测机构可以检测到冲突,然后各等待一个随机的时间重新发送数据。

    PHY寄存器的地址空间为5位,从0到31最多可以定义32个寄存器(随着芯片功能不断增加,很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器),IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能,地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义,如下表所示:
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    注:

    1. 上图B和E表示在特定接口下,寄存器是基本的还是扩展的。例如:MII接口下只有0和1寄存器是基本的,其它的是扩展的。所为扩展是指留给IEEE以后的扩展特性用,不是给PHY厂商的扩展,PHY厂商自定义的只能是16~31号寄存器 。
    2. 在IEEE标准文档及某些PHY手册中,某寄存器的比特(bit)用X.y表示,如0.15表示第0寄存器的第15位。

    MII

    MII(Media Independent interface)即介质无关接口,它是IEEE-802.3定义的行业标准,是MAC与PHY之间的接口。MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号,如下图所示:

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    信号定义如下:

    信号名称 描述 方向
    TX_CLK 发送时钟 PHY → MAC
    TX_ER 发送数据错误 MAC → PHY
    TX_EN 发送使能 MAC → PHY
    TXD0 发送数据位0(最先传输) MAC → PHY
    TXD1 发送数据位1 MAC → PHY
    TXD2 发送数据位2 MAC → PHY
    TXD3 发送数据位3 MAC → PHY
    RX_CLK 接收时钟 PHY → MAC
    RX_DV 接收数据有效 PHY → MAC
    RX_ER 接收数据错误 PHY → MAC
    RXD0 接收数据位0(最先传输) PHY → MAC
    RXD1 接收数据位1 PHY → MAC
    RXD2 接收数据位2 PHY → MAC
    RXD3 接收数据位3 PHY → MAC
    CRS 载波监测 PHY → MAC
    COL 冲突碰撞监测 PHY → MAC
    MDIO 管理数据 双向
    MDC 管理数据时钟 MAC → PHY

    MAC 通过MIIM 接口读取PHY 状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。也可以通过 MIIM设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。MII以4位半字节方式传送数据双向传输,时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。当时钟频率为2.5MHz时,对应速率为10Mb/s。MII接口虽然很灵活但由于信号线太多限制多接口网口的发展,后续又衍生出RMII,SMII等。


    RMII

    RMII(Reduced Media Independant Interface),精简MII接口,节省了一半的数据线。RMII收发使用2位数据进行传输,收发时钟均采用50MHz时钟源。信号定义如下:

    信号名称 描述 方向
    REF_CLK 参考时钟 MAC→PHY或由外部时钟源提供
    TX_EN 发送数据使能 MAC → PHY
    TXD0 发送数据位0(最先传输) MAC → PHY
    TXD1 发送数据位1 MAC → PHY
    RX_ER 接收错误 PHY → MAC
    RXD0 接收数据位0(最先传输) PHY → MAC
    RXD1 接收数据1 PHY → MAC
    CRS_DV 载波和接收数据有效 PHY → MAC
    MDIO 管理数据 双向
    MDC 管理数据时钟 MAC → PHY

    其中CRS_DV是MII中RX_DV和CRS两个信号的合并,当物理层接收到载波信号后CRS_DV变得有效,将数据发送给RXD。当载波信号消失后,CRS_DV会变为无效。在100M以太网速率中,MAC层每个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据,在10M以太网速率中,MAC层每10个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据,此时物理层接收的每个数据会在RXD[1:0]保留10个时钟。


    SMII

    SMII(Serial Media Independant Interface),串行MII接口。它包括TXD,RXD,SYNC三个信号线,共用一个时钟信号,此时钟信号是125MHz,信号线与此时钟同步。信号定义如下:

    信号名称 描述 方向
    REF_CLK 参考时钟 外部时钟源提供125MHz
    TXD 发送数据 MAC → PHY
    RXD 接收数据 PHY → MAC
    SYNC 同步信号 -
    MDIO 管理数据 双向
    MDC 管理数据时钟 MAC → PHY

    SYNC是数据收发的同步信号,每10个时钟同步置高一次电平,表示同步。TXD和RXD上的数据和控制信息,以10bit为一组。发送部分波形如下:

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    从波形可以看出,SYNC变高后的10个时钟周期内,TXD依次输出一组10bit的数据即TX_ER,TX_EN,TXD[0:7],这些控制信息和MII接口含义相同。在100M速率中,每一组的内容都是变换的,在10M速率中,每一组数据需要重复10次,采样任一一组都可以。


    GMII

    GMII(Gigabit Media Independant Interface),千兆MII接口。GMII采用8位接口数据,工作时钟125MHz,因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准,该接口定义见IEEE 802.3-2000。信号定义如下:

    信号名称 描述 方向
    GTX_CLK 1000M发送时钟 MAC → PHY
    TX_CLK 100/10M发送时钟 MAC → PHY
    TX_ER 发送数据错误 MAC → PHY
    TX_EN 发送使能 MAC → PHY
    TX_[7:0] 发送数据8bit MAC → PHY
    RX_CLK 接收时钟 PHY → MAC
    RX_DV 接收数据有效 PHY → MAC
    RX_ER 接收数据错误 PHY → MAC
    RX_[7:0] 接收数据8bit PHY → MAC
    CRS 载波监测 PHY → MAC
    COL 冲突碰撞监测 PHY → MAC
    MDIO 管理数据 双向
    MDC 管理数据时钟 MAC → PHY

    RGMII

    RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。相对于GMII相比,RGMII具有如下特征:

    • 发送/接收数据线由8条改为4条
    • TX_ER和TX_EN复用,通过TX_CTL传送
    • RX_ER与RX_DV复用,通过RX_CTL传送
    • 1 Gbit/s速率下,时钟频率为125MHz
    • 100 Mbit/s速率下,时钟频率为25MHz
    • 10 Mbit/s速率下,时钟频率为2.5MHz

    信号定义如下:

    信号名称 描述 方向
    TXC 发送时钟 MAC→PHY
    TX_CTL 发送数据控制 MAC → PHY
    TXD[3:0] 发送数据4bit MAC → PHY
    RXC 接收时钟 PHY → MAC
    RX_CTL 接收数据控制 PHY → MAC
    RXD[3:0] 接收数据4bit PHY → MAC
    MDIO 管理数据 双向
    MDC 管理数据时钟 MAC → PHY

    虽然RGMII信号线减半,但TXC/RXC时钟仍为125Mhz,为了达到1000Mbit的传输速率,TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0],在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信号TX_CTL反应了TX_EN和TX_ER状态,即在TXC上升沿发送TX_EN,下降沿发送TX_ER,同样的道理试用于RX_CTL,下图为发送接收的时序:

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    参考

    1. Media-independent interface From Wikipedia
    2. Ethernet(以太网)之 详解 MAC、MII、PHY
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